DE1614141C3 - Feldeffekttransistor mit isolierten Steuerelektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines gegebenen Leitfähigkeitstyps, dessen eine Oberflächenseite einen Quellenbereich und einen Abflußbereich von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Substrat aufweist und aus zwei oder mehr gegeneinander und gegen das Halbleitersubstrat isolierten Steuerelektroden, die geometrisch betrachtet in Reihe zwischen dem Quellenbereich und dem Abflußbereich angeordnet sind, jeweils zwischen sich einen Inselbereich von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Substrat und von hoher spezifischer Leitfähigkeit einschließen und mit ihren Randbereichen die Bereiche von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Substrat überlappen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Feldeffekttransistor dahingehend zu verbessern, daß die Kapazität zwischen den Steuerelektroden sehr niedrig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich über jedem der Inselbereiche und von diesem nur durch eine Isolierschicht getrennt eine Abschirmelektrode befindet. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Feldeffekttransistors ist diese Abschirmelektrode an ein zur Abschirmung geeignetes Potential anzulegen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Feldeffekttransistor mit zwei isolierten Steuerelektroden und eine Abschirmelektrode,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Feldeffekttransistor nach Fig. 1, wobei jedoch die Abschirmelektrode auf andere Weise angebracht ist,

F i g. 3 und 4 Querschnitte durch Feldeffekttransistoren vom n-Kanal-Typ, bei denen die Dicke der Oxydschicht unterhalb der neben dem Abfluß befindlichen Steuerelektrode sich von derjenigen unterhalb der neben der Quelle angeordneten Steuerelektrode unterscheidet,

F i g. 5 und 6 Querschnitte durch Feldeffekttransistoren vom p-Kanal-Typ ähnlich den F i g. 3 und 4, F i g. 7 einen Querschnitt durch einen Feldeffekttransistor nach F i g. 1 mit unterschiedlich langen Kanälen unterhalb der zwei isolierten Steuerelektroden,

F i g. 8 einen Querschnitt durch einen ähnlichen Feldeffekttransistor mit drei isolierten Steuerelektroden und zwei zwischen diese eingebrachten Abschirmelektroden,

Fig. 9 einen herkömmlichen Vielfach-Feldeffekttransistor mit mehreren isolierten Steuerelektroden, nämlich mit zwei isolierten Steuerelektroden, jedoch ohne eine Abschirmelektrode,

F i g. 10 ein Ersatz-Schaltbild, aus dem das Prinzipfür die oben beschriebenen Feldeffekttransistoren ersichtlich ist,

Fig. 11 eine Draufsicht auf eine Elektrodenanordnung im Feldeffekttransistor mit isolierten Steuerelektroden mit einer Abschirmelektrode,

Fig. 12 eine andere Ausführungsform der Elektrodenanordnung, in der die Quelle und die Abschirm·: elektrode auf dem Substrat miteinander verbunden 't sind.

F i g. 1 bis 8 sind Querschnitte durch Transistoren der oben beschriebenen Art, und F i g. 9 ist ein Querschnitt durch einen Feldeffekttransistor, der nicht in den Rahmen der Erfindung fällt, bei dem jedoch für die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie in den F i g. 1 bis 8, nämlich eine gewöhnlich als Quelle bezeichnete Stromeinlaßelektrode 1, einen mit der Quelle 1 verbundenen Metallfilm 1', eine als Abfluß bezeichnete Stromauslaß-Elektrode 3 und einen mit dem Abfluß 3 verbundenen Metallfilm 3'. Auf einem Halbleitersubstrat 7 ist bzw. sind in der Mitte zwischen der Quelle und dem Abfluß ein Sonderbereich bzw. Sonderbereiche 2 (und 2') angeordnet, die in der folgenden Beschreibung als Insel bezeichnet sind. Die Quelle 1, der Abfluß 3 und die Insel(n) 2 (und 2') sind vom anderen Leitfähigkeitstyp als das Halbleitersubstrat 7. Ist beispielsweise das Halbleitersubstrat p-leitend, dann sind die Quelle 1, der Abfluß 3 und die Insel(n) 2 (und 2') η-leitend. Ist dagegen das Substrat 7 η-leitend, sind ·\ die Quelle 1, der Abfluß 3 und die Insel(n) 2 (und 2') p-leitend. In den Beispielen gemäß den Fig. 1 bis 7 ist nur eine einzige Insel 2 vorgesehen.

In den Ausführungsformen nach Fi g. 8 und 9 sind zwei Inseln vorhanden, und die weiter von der Quelle 1 entfernte Insel ist mit 2' bezeichnet. Die Transistoren gemäß den F i g. 1 bis 7 haben zwei Steuerelektroden, wobei eine Steuerelektrode 4 in der Nähe der Quelle 1 und eine Steuerelektrode 6 in der Nähe des Abflusses 3 liegt. In der nachstehenden Be-Schreibung ist die nahe der Quelle angeordnete Steuerelektrode 4 als erste und die nahe dem Abfluß liegende Steuerelektrode 6 als zweite Steuerelektrode bezeichnet.

Sind, wie in den F i g. 8 und 9, zwei Inseln 2 und 2'

vorgesehen, verwendet man drei Steuerelektroden. Diese sind ausgehend von der Seite der Quelle hin zum Abfluß in der nachstehenden Beschreibung als erste, zweite und dritte Steuerelektrode bezeichnet. In der Zeichnung ist die erste Steuerelektrode mit 4, die zweite mit 6 und die dritte mit 6' bezeichnet.

In den Anordnungen gemäß den F i g. 1 bis 9 ist eine Isolierschicht 8 vorgesehen, die die einzelnen Steuerelektroden vom Substrat 7 isoliert. Die Stärke

der Schicht 8 ist stellenweise unterschiedlich, d. h., in den F i g. 2 bis 6 ist der dünnere Teil der Schicht mit 8' bezeichnet, um diesen vom dickeren Teil 8 zu unterscheiden. In den Fig. 2 bis 6 sind die vertikalen Grenzflächen an den Schichten 8, 8' mit 9 bezeichnet. In F i g. 2, in der zwei derartige Grenzflächen vorhanden sind, ist die zweite mit 9' bezeichnet. In den F i g. 1 bis 8 ist eine Elektrode mit 5 bezeichnet. Diese Elektrode ist auf die Isolierschicht zwischen die erste und zweite Steuerelektrode eingebracht und von diesen isoliert; sie besteht ebenso wie die Steuerelektroden aus einem Metallfilm. Diese Elektrode 5 ist in der nachfolgenden Beschreibung als Abschirmelektrode bezeichnet. In der Ausführungsform nach F i g. 8 ist eine zweite derartige Elektrode 5' zwischen die zweite Steuerelektrode 6 und die dritte Steuerelektrode 6' eingebracht.

In den Fig. 1 bis 9 überdecken die Steuerelektroden völlig denjenigen Teil des Halbleitersubstrats 7, der zwischen der Quelle, der oder den Inseln und dem Abfluß liegt, wobei die Oxyd-Isolierschicht zwischen diesen beiden Gruppen liegt, und sind so angeordnet, daß sie jeden Quellen-, Insel- und Abflußbereich, in Draufsicht gesehen, überlappen. Die Hauptaufgabe einer derartigen Anordnung, bei der in einem Feldeffekttransistor mit isolierten Steuerelektroden vom MOS-Typ, bei dem als Halbleiter Silizium, als Isolierfilm Siliziumdioxyd und als Steuerelektrode Aluminium verwendet ist, die Steuerelektroden die Quelle, die Inseln und den Abfluß überlappen, besteht darin, die Oberflächenbeschaffenheit des Kanals, d. h. die leitenden Durchgänge auf der Halbleiteroberfläche zwischen der Quelle, der Insel und dem Abfluß, durch das vorstehend beschriebene Überlappen zu beeinflussen und somit die Charakteristik des MOS-Transistors, z. B. die Steuerbarkeit und Temperaturbeständigkeit zu verbessern. Wird ein Feldeffekttransistor mit dem Aufbau nach Fig. 1 verwendet, der jedoch die Abschirmelektrode 5 nicht aufweist und dessen zweite Steuerelektrode 6 wechselstrommäßig geerdet ist, dann ist die Kapazität zwischen der ersten Steuerelektrode 4 und dem Abfluß 3, d. h. die gewöhnlich als Rückkopplungskapazität bezeichnete Kapazität, weitgehend vermindert. Wird jedoch ein derartiger Feldeffekttransistor, der mehr als zwei Steuerelektroden aufweist, verwendet und werden der ersten und der zweiten Steuerelektrode getrennte Signale eingepeist, dann kann die zweite Steuerelektrode nicht geerdet werden; dies ist wegen der kapazitiven Kopplung auf Grund der statischen Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode oft nachteilig.

Die Erfindung schafft eine wirksame Maßnahme zum Vermindern der kapazitiven Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode, wobei die in den F i g. 1 bis 8 mit 5 bezeichnete Abschirmelektrode — wie in der Zeichnung dargestellt — zwischen die erste Steuerelektrode 4 und die zweite Steuerelektrode 6 eingebracht und geerdet oder mit der Quelle 1 verbunden ist, wodurch die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Steuerelektrode 4 und der zweiten Steuerelektrode 6 vermindert wird. Freilich scheint die Anordnung einer derartigen Abschirmelektrode 5 auf den ersten Blick — sozusagen hinsichtlich der Raumordnung — in der gleichen Linie mit der Anordnung der drei Steuerelektroden, nämlich der ersten, zweiten und dritten Steuerelektrode im Elektrodenaufbau eines vielpoligen MOS-Transistors nach F i g. 9, und es entspricht ihre Erdung der wechselstrommäßigen Erdung der zweiten Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors dieses Typs, um die statische Kapazität zwischen der ersten Steuerelektrode 4 und der dritten Steuerelektrode 6 zu verringern. Indessen weist die unter der Abschirmelektrode 5 liegende Insel 2 gemäß F i g. 1 bis 8, die beispielsweise durch Diffusion gebildet ist, einen geringeren spezifischen Widerstand in der Größenordnung von einigen mQ/cm auf, während der unter der Steuerelektrode 6 gemäß F i g. 9 liegende Kanal zwischen den Inseln 2 und 2' selbst bei entsprechender Ansteuerung über die Steuerelektrode 6 einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweist. Im Fall, daß die Steuerelektrode 6 unmittelbar mit der Quelle 1 verbunden ist, wirkt dieser Kanal sogar überhaupt sperrend. Folglich tritt bei dem Aufbau nach F i g. 9 ein größerer Spannungsabfall zwischen der Quelle und dem Abfluß über den Durchgang zwisehen diesen Inseln 2 und 2' auf. Dagegen ist bei einer Anordnung nach Fig. 1, bei der die vorliegende Erfindung nutzbar gemacht ist, auf Grund des niedrigen Widerstandes der Insel 2 der Spannungsabfall zwischen der Quelle und dem Abfluß nahezu Null.

Mit anderen Worten, die Erfindung trägt viel zur Verbesserung der Betriebsbedingungen bei, da sie die Verwendung einer niedrigeren Wellenspannung ermöglicht.

In der nachstehenden Beschreibung ist an Hand des Ersatzschaltbildes nach Fig. 10 das Prinzip der Verminderung der statischen Kapazität durch Einschalten der Elektrode 5 beschrieben.

So gibt C₄₂ die statische Kapazität zwischen der ersten Steuerelektrode 4 und der Insel 2 wieder, C₅₂ die statische Kapazität zwischen der Abschirmelektrode 5 und der Insel 2 und C₂₆ die statische Kapazität zwischen der Insel 2 und der zweiten Steuerelektrode 6. In dieser Fig. 10 sind, wie in Fig. 2, die Insel mit 2, die erste Steuerelektrode mit 4, die Abschirmelektrode mit 5 und die zweite Steuerelektrode mit 6 bezeichnet. Ist keine statische Kapazität C₅₂ vorhanden, wird die Wechselspannung zwischen der ersten Steuerelektrode und der Erde über C₄₂ und C₂₆ zur zweiten Steuerelektrode geleitet; bei Vorhandensein in einer statischen Kapazität C₅₂ wird sie jedoch über C₅₂ mit der Erde in Nebenschluß gebracht. Ist folglich C₅₂ im Vergleich zu C₄₂ groß, wird der über C₂₆ zur zweiten Steuerelektrode geleitete Wechselstrom bedeutend vermindert, und auf diese Weise sind die erste und die zweite Steuerelektrode nahezu vollständig voneinander abgeschirmt.

In F i g. 2 sind die Elektroden in diesem Aufbau abwechselnd angeordnet. Die Abschirmelektrode 5 ist nämlich auf die Oxyd-Isolierschicht 8' aufgebracht, die dünner als die Schicht 8 unter den Steuerelektroden 4 und 6 geformt ist. Auf Grund der dünneren Ausbildung der Oxyd-Isolierschicht 8' kann die Kapazität zwischen der Abschirmelektrode 5 und der Insel 2 pro Flächeneinheit erhöht werden, und folg-Hch benötigt die Abschirmelektrode 5 für die gleiche Kapazität eine kleinere Fläche. Bleibt diese Fläche unverändert, nimmt die Kapazität zwischen der Abschirmelektrode und der Insel zu, und dadurch nimmt die kapazitive Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode weiter ab.

In den F i g. 3 und 4 sind MOS-Transistoren mit η-leitendem Kanal dargestellt, bei denen sich die Dicke der Oxyd-Isolierschicht unterhalb der ersten

Steuerelektrode 4 von derjenigen der zweiten Steuerelektrode 6 derart unterscheidet, daß die Oxyd-Isolierschicht 8 unter der zweiten Steuerelektrode 6 dicker ist; weiterhin ist hier die Abschirmelektrode5 vorgesehen.

In den Fig. 5 und 6 sind MOS-Transistoren mit p-leitendem Kanal dargestellt, bei denen die Oxyd-Isolierschicht 8' unterhalb der zweiten Steuerelektrode 6 dünner ist als die Schicht 8 unter der ersten Steuerelektrode 4 und eine Abschirmelektrode 5 vorgesehen ist. Nach den F i g. 3 bis 6 wirkt sich die unterschiedliche Dicke der Isolierschicht so aus, daß bei Anliegen gleicher Steuerspannungen an den jeweiligen Steuerelektroden der erste MOS-(Teil-)Transistör mit den Teilen 1, 4 und 2 einen niedrigeren Leitwert hat als der zweite MOS-(Teil-)Transistor mit den Teilen 2, 6 und 3, die beide im Gesamttransistor enthalten sind. Anders ausgedrückt, gestattet der erste MOS-(Teil-)Transistor bei gleichen Spannungsbedingungen an sich einen stärkeren Strom als der zweite MOS-(Teil-)Transistor. Der Feldeffekttransistor nach Fig. 4 ist besser als derjenige nach Fig. 3, da die statische Kapazität zwischen der ersten Steuerelektrode 4 und der Insel 2 im Feldeffekttransistor nach F i g. 4 vermindert wird. Der Feldeffekttransistor nach F i g. 6 hat eine geringere statische Kapazität zwischen der zweiten Steuerelektrode und der Insel als der nach F i g. 5, so daß von diesen beiden der Feldeffekttransistor nach F i g. 6 der bessere ist.

In F i g. 7 ist ein Feldeffekttransistor dargestellt, bei dem der Abstand zwischen der Insel 2 und dem Abfluß 3 kleiner ist als der Abstand von der Quelle 1 zur Insel 2. Bei beiden Kanal-Typen, sowohl dem η-leitenden als auch dem p-leitenden Kanal, kann unter den gleichen Spannungsbedingungen ein größerer Strom durch den zweiten MOS-(Teil-)Transistör mit den Teilen 2, 6 und 3 als durch den ersten MOS-(Teil-)Transistor mit den Teilen 1, 4 und 2 fließen. In diesem Beispiel ist die kapazitive Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode durch die Abschirmelektrode 5 verringert.

In Fig. 8 ist ein MOS-Transistor dargestellt, der eine erste, zweite und dritte Steuerelektrode aufweist sowie Abschirmelektroden 5 und 5', die zwischen entsprechende Steuerelektroden eingebracht sind.

F ig. 11 zeigt in Draufsicht eine beispielsweise Ausführung eines MOS-Transistors mit einer Abschirmelektrode und mit zwei isolierten Steuerelektroden. In dieser Darstellung sind die jeweiligen Elektroden, d. h. die für die Quelle, die erste Steuerelektrode, die Abschirmelektrode, die zweite Steuerelektrode und die für den Abfluß, dargestellt. Die entsprechenden Bezugszeichen sind die gleichen wie in Fig. 1. So ist mit 1' die Elektrode für die Quelle, mit 4 die erste Steuerelektrode, mit 5 die Abschirmelektrode, mit 6 die zweite Steuerelektrode und mit 3' die Elektrode für den Abfluß bezeichnet. Ist die Quelle in der Mitte und der Abfluß an der Peripherie angeordnet, ist der Umfang der Quelle kleiner als derjenige der Insel, und sowohl im MOS-Transistor mit η-leitendem als auch mit p-leitendem Kanal, kann unter den gleichen Spannungsbedingungen ein stärkerer Strom durch den zweiten MOS-Transistor mit der Insel, der zweiten Steuerelektrode und dem Abfluß fließen als durch den ersten MOS-Transistor mit der Quelle, der ersten Steuerelektrode und der Insel, wobei ersterer günstiger arbeitet.

Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Transistor, bei dem die Quelle und die Abschirmelektrode 5 mit einem auf die Oberfläche des Transistors aufgebrachten Metallfilm verbunden sind. Die viereckigen Teile an jeder Elektrode sind die Punkte, mit denen die Zuführungsdrähte verbunden sind, und jeder Teil ist mit dem gleichen Bezugszeichen versehen wie im vorstehenden Beispiel. In diesem Fall werden die Quelle 1 und die Abschirmelektrode 5, die gewöhnlich im zusammengeschalteten Zustand verwendet werden, zuvor im Transistor vereinigt. Genauer gesagt, durch Verwendung von p-Silizium-Plättchen mit einem spezifischen Widerstand von 2 Qcm und durch Nutzbarmachung des Aufbaus einer Elektrodenanordnung nach Fig. 11 erhält man Transistoren, in denen zwei isolierte Steuerelektroden und eine Abschirmelektrode vorgesehen sind und die Abschirmelektrode nicht mit der Quelle verbunden ist. Der effektive Umfang der Quelle war auf 0,8 mm festgesetzt, der radiale Abstand zwischen der Quelle und der Insel be- (| trug 8 μ, der radiale Abstand zwischen der Insel und dem Abfluß 8 μ und die radiale Breite der Insel 50 μ. Die erste Steuerelektrode und die Insel, zwischen denen die Isolierschicht aus Siliziumdioxyd liegt, überlappen sich um 2 μ und die zweite Steuerelektrode und die Insel, zwischen denen ebenfalls die Oxydschicht angeordnet ist, auch um 2 μ.

Der Zwischenraum zwischen der ersten Steuerelektrode und der Abschirmelektrode sowie der radiale Zwischenraum zwischen der Abschirmelektrode und der zweiten Steuerelektrode betragen jeweils 10 μ.

Die Oxydschicht wurde durch Hitzeoxydation von Silizium in einer Stärke von 2000 A hergestellt. Das so gefertigte Feldeffekttransistorelement wurde in ein Transistorgehäuse eingeschlossen und anschließend die statische Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode gemessen. Die durchschnittliehe statische Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode betrug bei einem Feldeffekttransistor, dessen Abschirmelektrode mit der Quelle verbunden war, 0,03 pF., und die eines zweiten Feldeffekttransistors, dessen Abschirmelektrode mit keiner der Elektroden verbunden und folglich isoliert war, 0,27 pF. Bei isolierter Abschirmelektrode war die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode ungefähr die gleiche wie in dem Fall, wenn keine Abschirmelektrode vorgesehen war. Der Grund dafür besteht wahrscheinlich darin, daß der Zwischenraum zwischen den Steuerelektroden und der Abscbirmelektrode weitaus größer ist als die Dicke der Oxydschicht. Bei diesem Ergebnis war also die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode auf V» verringert, und die kapazitive ■ Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Steuerelektrode war folglich durch die Abschirmelektrode effektiv verringert.

Es kann auch an Stelle von Silizium als Halbleiter Germanium, Galliumarsenid, Cadmiumsulfid usw. und an Stelle von Siliziumdioxyd als Isolierschicht Siliziummonoxyd, Siliziumnitrid, Magnesiumfluorid usw. verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines gegebenen Leitfähigkeitstyps, dessen eine Oberflächenseite einen Quellenbereich und einen Abflußbereich von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Substrat aufweist, und aus zwei oder mehr gegeneinander und gegen das Halbleitersubstrat isolierten Steuerelektroden, die geometrisch betrachtet in Reihe zwischen dem Quellenbereich und dem Abflußbereich angeordnet sind, jeweils zwischen sich einen Inselbereich von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Substrat und von hoher spezifischer Leitfähigkeit einschließen und mit ihren Randbereichen die Bereiche von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Substrat überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß sich über jedem der Inselbereiche (2, 2') und von diesem nur durch eine Isolierschicht getrennt eine Abschirmelektrode (5, 5') befindet.